Geochemistry of groudwater and surface water in the Sentsa River Basin (Eastern Sayan Ridge)

ALEKSEEV SERGEI Doctor of Geology and Mineralogy Head of Laboratory, the Institution of Earth's Crust of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 664033, Russia, Irkutskaya oblast', g. Irkutsk, ul. Lermontova, 128, of. 318 salex@crust.irk.ru ALEKSEEVA LIUDMILA Doctor of Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, the Institution of Earth's Crust of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 664033, Russia, Irkutskaya oblast', g. Irkutsk, ul. Lermontova, 128, of. 338 lalex@crust.irk.ru

ORGILIANOV ALEKSEI Leading Engineer, the Institution of Earth's Crust of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 664033, Russia, Irkutskaya oblast', g. Irkutsk, ul. Lermontova, 128, of. 242 irig@crust.irk.ru

Введение

В последние годы во всем мире термальные воды исследуются очень активно^[1-16]. Научный интерес определен геологическим, экономическим и бальнеологическим значением термальных вод, а также их важной ролью в туристической индустрии. Необходимостью разумного использования природных ресурсов, в частности термальных вод Восточных Саян, на основе комплексного исследования и мониторинга качества состава подземных вод обусловлена актуальность настоящего исследования.

Первые гидрогеологические исследования в бассейне р. Сенца (Окинское плато, Восточные Саяны) начались в 1940-е гг. С. В. Обручевым и Н. И. Толстихиным был описан источник термальных вод Хойто-Гол в одноименной долине реки - левого притока р. Сенца. В последующие годы новые данные о химическом, газовом, изотопном и микробиологическом составе термальных подземных вод были получены В. Г. Ткачук, Е. В. Пиннекером, И. М. Борисенко, Л. В. Заманой, А. М. Плюсниным, А. В. Татариновым, П. С. Бадминовым, А. И. Оргильяновым ^[17-24] и др. Между тем до настоящего времени отсутствовали сведения о геохимии других типов вод в бассейне р. Сенца, в том числе и распределении микрокомпонентов в них. Благодаря использованию ICP MS появилась возможность определять содержание широкого спектра микроэлементов в водных растворах. В настоящей статье наряду с характеристикой ионно-солевого состава холодных и термальных вод приводятся первые данные о распределении микрокомпонентов в подземных и поверхностных водах бассейна р. Сенца (рис. 1).

Методы исследования

Пробы речных (4 шт.) и озерных (2 шт.) вод, атмосферных осадков (дождя – 2 шт.), подземных холодных (2 шт.) и термальных (2 шт.) вод отобраны в июле 2018 г. в полиэтиленовые бутылки объемом 1,5 л. Для определения содержания микрокомпонентов после фильтрования были наполнены пробирки объемом 50 мл (14 шт.). Дневная и ночная температура воздуха составляла 19 и 12 °С соответственно. Кроме того, для сравнения состава атмосферных осадков отобрана проба снега с надпойменной террасы р. Сенца в декабре 2017 г. Непосредственно на месте отбора проб воды измерена их температура, рН и Еh, удельная электропроводность портативными приборами: pH-метром HANNA HI 83141 и кондуктометром HANNA HI 8733.

Рис. 1. Положение района исследований и морфология долин р. Сенца (левое фото), её левого притока р. Хойто-Гол (правое фото).

После фильтрования отобранной воды с помощью ручного вакуумного фильтратора Merck Millipore через мембранные фильтры Millipore (диаметр 47 мм, размер пор 0.45 мкм) выполнена консервация проб путем добавления в каждую пробирку 50 мкл HNO₃. Содержание основных макрокомпонентов в пробах определено в ЦКП «Геодинамика и геохронология» (г. Иркутск) традиционными методами^[25]: концентрация (K⁺, Na⁺, Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Sr²⁺) – методом пламенной фотометрии на атомно-абсорбционном спектрофотометре SOLAAR M (Thermo Elemental, IN-TERTECH Corporation, США), содержание анионов (а также Ca²⁺, Mg²⁺) – титриметрическим методом, концентрация SO₄^2- – весовым методом. Микрокомпонентный состав - методом ICP MS на приборе Element-2 (Finnigan MAT, Германия) в Институте геохимии СО РАН. Для градуирования при расчетах содержаний элемента в пробе использовались многоэлементные сертифицированные растворы CLMS-1, -2, -3, -4 (SPEX, США) с концентрациями элементов 50, 100, 1000 и 5000 нг/мл.

Район исследования

Орогидрография и климат

Река Сенца и р. Жомболок – левые притоки р. Ока, берущей начало из озера на обширном одноименном плато с абсолютными отметками 1800–2500 м^[26] в Восточных Саянах. Река Сенца прорезает юго-западную часть Окинского плато и изобилует притоками, включая рр. Хойто-Гол, Аршан. В позднем плейстоцене широкая троговая котловина р. Сенца с глубиной вреза 600–800 м была занята крупным ледником, который в 8,5 км от места впадения в р. Ока (в районе современного пос. Шаснур) оставил мощную конечную морену протяжённостью около 10 км^[27]. Выше конечно-моренного вала река активно меандрирует, на поверхности долины широко развиты старичные и термокарстовые озёра различных размеров. Климат в пределах Окинского плато резко континентальный с суровой малоснежной зимой (средняя температура воздуха tвозд. января -21,7 °С) и теплым облачным летом (средняя tвозд. июля +13,8 °С). Среднегодовая tвозд. – отрицательная и изменяется в зависимости от абсолютной высоты от −5,6 °С (1372 м) до −6,6 °С (2084 м).

Геология и мерзлотно-гидрогеологические условия

Геологический разрез бассейна р. Сенца формируют средне- и верхнепротерозойские отложения мощностью до 3800 м. В составе ильчирской свиты среднего протерозоя (PR₂) доминируют сланцы с песчаниками и эффузивами. Монгошинская свита верхнего протерозоя (PR₃) представлена карбонатными породами (известняками, доломитовыми известняками) с прослоями метаморфических сланцев. Eе перекрывает мощная (до 3000 м) дибинская толща PR₃, сложенная песчаниками и сланцами. Этот осадочно-метаморфический комплекс прорван гранитоидами протерозойского (PR) и палеозойского (PZ) возраста (рис. 2). Четвертичные отложения в долинах рек представлены аллювиальными и озерно-аллювиальными осадками – разнозернистыми песками, галечниками, супесями и суглинками.

Мезозой-кайнозойская активизация тектонических движений и базальтовый вулканизм привели к обновлению древних глубинных разломов, интенсификации водообмена и сформировали современный геоморфологический облик региона.

Рис. 2. Геологическое строение долины р. Сенца и ее горного обрамления^[28]. 1 – валуны, галечники, пески, супеси и суглинки четвертичного возраста (Q); 2 – песчаники, эффузивы, карбонатные породы PR₂-PR₃; 3 – граниты, гранодиориты, редкометалльные пегматиты PR-PZ; 4 – тектонические нарушения.

Многолетнемерзлые породы (ММП) имеют сплошное распространение с тенденцией их уменьшения в западном и северо-северо-восточном направлении (рис. 3). Мощность ММП на междуречных пространствах в среднем равна 170-200 м, а в долинах рек составляет 50-150 м. Среднегодовая температура мерзлых пород изменяется в пределах –2,1…–8,5°С. Сезонно протаивающий слой на междуречных пространствах имеет мощность 1,0-1,5 м, достигая 3,5 м на южных склонах^[29].

Рис. 3. Распространение ММП пород в краевой части Окинского плато^[30]: 1 – преимущественно сплошное мощностью 0-100 м, t_{ср.пород}= –0,5…–2°С, 2 – преимущественно сплошное мощностью 50-150 м, t_{ср.поро}д = –1…–5°С, 3 – сплошное мощностью 200-300 м, t_{ср.пород} = –3…–7°С; 4 – источники термальных (темный кружок) и холодных (светлый кружок) подземных вод.

В гидрогеологическом отношении регион относится к Восточно-Саянской гидрогеологической складчатой области. В пределах криогидрогеологических массивов зона интенсивного водообмена проморожена, а трещинные и трещинно-жильные напорные воды приурочены к метаморфическим и изверженным породам. Они вскрыты скважинами (которые часто фонтанируют) ниже подошвы ММП на глубине 170-180 м^[31]. В долинах рек, особенно заложенных по зонам разломов (например, по Сенцинскому региональному разлому), прослеживаются подрусловые талики, по которым происходит разгрузка подмерзлотных холодных и термальных вод. Восходящие источники зимой образуют крупные наледи.

Результаты и обсуждение

Ионно-солевой состав подземных и поверхностных вод

Подземные воды в бассейне р. Сенца подразделяются на термальные и холодные и разгружаются на земную поверхность в виде серии родников (рис. 4).

Рис. 4. Очаги разгрузки подземных вод в долине р. Сенца: холодных - источник Манзарагши (слева) и термальных – источник Хойто-Гол (справа).

Термальные воды в долине р. Хойто-Гол – левого притока р. Сенца - по ионно-солевому составу гидрокарбонатные кальциево-натриевые с минерализацией 880-900 мг/дм³ и околонейтральным рН (6,95-7,05). В составе воды присутствует фтор – до 5 мг/дм³, кремнекислота (H₄SiO₄) – до 102 мг/дм³ (табл. 1). Температура воды в родниках изменяется от 29,6 до 34,0 °С.

Холодные воды источника Манзарагши (левый берег р. Хойто-Гол) по составу гидрокарбонатные кальциево-натриевые с минерализацией 495 мг/дм3, рН 6,95, t - 10,8°С. Содержание фтора и кремнекислоты (1,92 и 55 мг/дм³ соответственно) в два раза меньше, чем в воде термальных источников.

Поверхностные воды. Речные воды (рр. Сенца, Хойто-Гол, Аршан) по химическому составу гидрокарбонатные кальциевые с минерализацией 90-107 мг/дм³ и низким содержанием кремнекислоты – 4-8 мг/дм³. Фтор отсутствует. В летнее время температура воды в р. Сенца составляет +9 °С, р. Хойто-Гол +10°С, в р. Аршан +5°С. Состав поверхностных вод типичен для основных водотоков Окинского плато. Озерные воды (оз. Хухэ-Нур, правый борт долины р. Сенца) - гидрокарбонатные кальциевые, имеют минерализацию 125 мг/дм³ и температуру +15°С.

Атмосферные осадки. Дождевые воды, отобранные в долинах р. Хойто-Гол и Сенца, имеют гидрокарбонатный и хлоридно-гидрокарбонатный состав. Содержание натрия и кальция примерно равно с небольшим превышением Na (до 37 %-экв.) и необычно высокой долей магния и калия (10-12 %-экв.). Минерализация дождевых вод невысокая – 22-25 мг/дм³, по величине рН (5,95-6,40) воды слабокислые. Снеговые талые воды в долине р. Сенца по химическому составу – гидрокарбонатные кальциевые, - более минерализованные (М = 31 мг/дм³), чем дождевые воды.

Химический состав подземных, поверхностных вод и атмосферных осадков представлен на диаграмме Пайпера (рис. 5).

­

Рис. 5. Диаграмма Пайпера: химический состав подземных (источники Хойто-Гол и Манзарагши), поверхностных вод (рр. Хойто-Гол, Аршан, Сенца и Жомболок, оз. Хухэ-Нур) и атмосферных осадков.

Таблица 1. Химический состав подземных и поверхностных вод и атмосферных осадков

Микрокомпоненты в подземных и поверхностных водах

Для оценки содержания микрокомпонентов и выявления закономерностей их распределения определены концентрации 40 элементов в водах рр. Сенца, Жомболок, оз. Хухэ-Нур, термального источника Хойто-Гол и дождевой воде (табл. 2, рис. 6).

Таблица 2. Содержание микрокомпонентов (мкг/дм³) в термальном источнике Хойто-Гол, поверхностных водах и дождевой воде (бассейны рр. Сенца и Жомболок)

Примечание: ПО – предел обнаружения.

Анализ содержания микрокомпонентов показал, что термальные воды Хойто-Гола в значительной степени обогащены Li, Be, B, Si, Mn, Ge, As, Br, Rb, Sr, Cs, Ba и W. Например, концентрация Li (517 мкг/дм³) – более чем в 500 раз, W (33 мкг/дм³) – более чем в 600 раз, Cs (79 мкг/дм³) – более чем в 11000 раз превышает концентрацию этих элементов в речных и дождевых водах. А такими элементами, как: Al, P, Cu, Zn, Ag, термы обеднены в 3-45 раз.

Рис. 6. Содержание микрокомпонентов в подземных термальных водах, поверхностных водах и атмосферных осадках бассейна р. Сенца.

Сумма редкоземельных элементов в термальных водах составляет 0,3061 мкг/дм³, что в 1,5 раза больше, чем в воде р. Сенца и в 3,6 раз, чем в атмосферных осадках. Концентрация всех индивидуальных РЗЭ в водах термального источника превышает содержание РЗЭ и в поверхностных водах, и атмосферных осадках бассейна (табл. 3).

Таблица 3. Содержание растворенных РЗЭ (нг/дм³) в подземных водах источника Хойто-Гол, поверхностных и дождевых водах (бассейны рр. Сенца и Жомболок)

Примечание: Eu an = Eu/EuNASC/0,5*(Sm/SmNASC+Gd/GdNASC); ∑ЛРЗЭ – ∑La+Sm; ∑ТРЗЭ - ∑Gd+Lu

Исключением является лантан, содержание которого только в воде р. Сенца больше почти в 2 раза его концентрации в подземных водах источника. Доля La от суммы РЗЭ равна 0,56 в воде р. Сенца и 0,21 – в термах. Для всех типов вод характерно обогащение легкими РЗЭ, сумма их составляет от 70 до 90 % от общей суммы РЗЭ. Содержание легких редкоземельных элементов в термальных подземных водах источника в 3 раза больше, чем в дождевой воде.

Спектры распределения РЗЭ в подземных и поверхностных водах имеют характерные особенности, которые выражаются в четкой европиевой аномалии и превалировании легких РЗЭ над тяжелыми (рис. 7).

Рис. 7. Нормализованное распределение содержания РЗЭ в подземных термальных водах, поверхностных водах и дождевой воде бассейна р. Сенца.

Для нормализации составов РЗЭ в термальных водах использовался состав хондрита^[32], поскольку формирование состава подземных вод источника происходило на значительной глубине под влиянием гипогенных процессов, а для речных и дождевых вод нормализация выполнялась на состав РЗЭ в Северо-Американском Сланце^[33]. Профили распределения РЗЭ в поверхностных и дождевых водах очень схожи между собой, для них также характерны четкая Λ-образная форма положительной аномалии европия, повышенная концентрация La (31-45 % от суммы РЗЭ) и легких элементов по сравнению с тяжелыми.

Источники растворенного вещества в термальных водах это вмещающие породы, через которые фильтруются первичные растворы (инфильтрационные воды или мантийные флюиды). Повышенная концентрация ряда редких щелочей в термальных водах (лития, рубидия, цезия) обусловлена, вероятно, длительным и высокотемпературным взаимодействием гидротермальных растворов с магматическими кислыми породами, которые содержат сподумен, слюды, поллуцит и полевые шпаты. Вольфрам и марганец, возможно, поступали в подземные воды при выщелачивании шеелита, вольфрамита и гюбнерита в условиях замедленного водообмена^[34]. Источниками стронция и бария могли быть изверженные, эффузивные, гипсоносные и глинисто-карбонатные породы, из которых горячими растворами выщелачиваются подвижные элементы. Высокое содержание бериллия, фтора, редких земель в термальных водах обеспечено, вероятно, близостью месторождения Be и полиметаллических руд в нижнем течении р. Хойто-Гол.

Сопоставление спектров распределения РЗЭ в подземных термальных и поверхностных водах позволяет предположить, что единообразие профилей РЗЭ (с положительной европиевой аномалией и дефицитом тяжелых элементов) связано с процессами смешения гидротермального флюида, поднимающегося из глубоких горизонтов земной коры, с инфильтрующимися атмосферными осадками и поверхностными водами, а также с подземными водами водоносных горизонтов и комплексов, встречающихся на его пути к области разгрузки. Более высокая концентрация всех редкоземельных элементов в термальных водах, несомненно, является наследием первичного раствора, сформированного на глубине 4,3 км^[23] при высокотемпературном взаимодействии с водовмещающими протерозойскими метаморфизованными сланцами и известняками^[20].

Заключение

Поверхностные (речные и озерные) воды бассейна р. Сенца имеют гидрокарбонатный кальциевый (HCO₃ Ca) состав, низкую минерализацию – от 90 до 125 мг/дм³ и околонейтральный рН. Подземные холодные воды, дренируемые родниками, по составу гидрокарбонатные кальциево-натриевые (HCO₃ Ca-Na), минерализацией около 500 мг/дм³ и нейтральной средой (рН 6,95). Подземные термальные воды, разгружающиеся на поверхность (источник Хойто-Гол) с температурой от 29,6 до 34,0 °С, по ионно-солевому составу гидрокарбонатные кальциево-натриевые (HCO₃ Ca-Na) с минерализацией 880-900 мг/дм³ и нейтральным рН (6,95-7,05). В составе воды присутствуют в повышенном содержании (относительно холодных вод) фтор (до 5 мг/дм³) и кремнекислота H₄SiO₄ (до 102 мг/дм³). Кроме того, подземные термальные воды существенно обогащены Li, Be, B, Si, Mn, Ge, As, Br, Rb, Sr, Cs, Ba и W, а также легкими РЗЭ относительно поверхностных вод и дождевых вод. Повышенная концентрация ряда (Li, Rb, Cs, V, Mn, Ba, Sr, Be, F) микрокомпонентов в термах обусловлена длительным и высокотемпературным взаимодействием в системе «вода-порода», а единообразие профилей РЗЭ в различных типах вод, возможно, связано с процессами смешения гидротермальных флюидов с холодными подземными и поверхностными водами.

В настоящее время источник Хойто-Гол активно используется в целях бальнеологии. К месту разгрузки терм организованы туристические маршруты. Источник каптирован, сооружены ванны, а его воды применяются для лечения опорно-двигательного аппарата.